El físico Maxim Pospelov del Instituto Perimeter para Física Teórica en Waterloo, Ontario, y la Universidad de Victoria en la Columbia Británica, junto con Josef Pradler, también del Instituto Perimeter, explican en un nuevo estudio que investigar cómo se producen los elementos químicos puede llevar a una mejor comprensión de qué sucede durante los inicios del universo. Los físicos han investigado específicamente cómo podría usarse el berilio como "calorímetro del Big Bang" para estudiar los niveles de energía en los inicios del universo, y también para usarlo como restricción sobre los nuevos modelos de la física. Su estudio se publica en un reciente ejemplar de la revista hysical Review Letters. En sus análisis, Pospelov y Pradler han investigado qué puede haber sucedido durante la nucleosíntesis del Big Bang (BBN), un periodo que empezó unos tres minutos después del Big Bang y que duró unos 20 minutos. Fue durante esta época cuando se produjeron los primeros elementos, siendo los más ligeros los que estaban en mayor abundancia. Por ejemplo, en ese periodo sólo existía un núcleo de litio por cada 10 mil millones de átomos de hidrógeno. Tras terminar la BBN, el universo se enfrió lo suficiente para permitir que tuvieran lugar más reacciones de fusión.
Hasta ahora, los investigadores habían pensado que el berilio no podría haberse generado durante las circunstancias genéricas de la BBN. Pero aquí, Pospelov y Pradler han demostrado que, cuando una partícula X desconocida decae bajo las condiciones del BBN, puede liberar una gran cantidad de energía que puede llevar a la producción de 9Be, que es el único isótopo estable del berilio. La formación de 9Be tiene lugar al final de la cadena de transformaciones, pasando a través de algunos isótopos de elementos ligeros, incluyendo el 6He, y llegando finalmente al isótopo de berilio. Cuando los físicos calcularon la eficiencia de esta cadena de transformaciones, encontraron que el proceso podría producir una proporción de abundancia berilio/hidrógeno de 10-14 (o 1 gramo de berilio por cada 10 millones de toneladas de hidrógeno).
"Observar el patrón de abundancia de elementos ligeros nos permite lograr una visión de la dinámica de los inicios del universo, cuando estaba miles de millones de veces más caliente que en la actualidad y sólo tenía unos cientos de segundos de antigüedad", dice Pradler a PhysOrg.com. "En nuestro trabajo demostramos que cualquier proceso, como el decaimiento o aniquilación de una especie de partículas X reliquias, que vuelca energía hadrónica en esta mezcla primordial, establece una cadena de reacciones nucleares no térmicas que culmina con la fusión del berilio - un elemento que de otro modo quedaría fuera de los estándares primordiales".
El berilio, junto con el litio, puede observarse en estrellas con déficit de metales, que se formaron a partir del casi prístino gas interestelar. Los científicos pueden identificar los elementos usando espectroscopia estelar para detectar la línea de resonancia atómica individual de cada elemento. Anteriores investigaciones han encontrado que, en contraste con el litio, el berilio de estas estrellas no es de origen primordial. Mientras que el valor del litio como función de la metalicidad estelar llega a una meseta a metalicidad baja, no hay meseta para el berilio. En lugar de esto, el berilio parece decrecer a valores cada vez más bajos conforme desciende la metalicidad estelar, y de este modo a mezclas más puras de gas interestelar a partir del cual se formó la estrella.
Como explican los científicos, lo que hace que el berilio sea tan potente en estas estrellas es que, al contrario que el litio, no se ve realmente afectado por la dinámica estelar. Mientras que el litio es frágil y puede ser destruido dentro de las estrellas, el berilio es mucho más fuerte. Por esta razón, el berilio podría ser más útil para restringir modelos BBN no estándar.
"Muchos nuevos modelos de la física de partículas, incluyendo aquellos que actualmente están en pruebas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, predicen estados X masivos de vida larga", dice Pradler. "Mientras el LHC empuja la frontera de energía terrestre en la búsqueda de una nueva física, estas partículas X podrían haberse producido copiosamente en el Big Bang. La conversión de la masa en reposo de X en energía hadrónica durante su decaimiento puede detectarse en una elevada abundancia de berilio. Cuanta más energía se vuelca, más abundancia de Be habrá. El isótopo actúa como calorímetro".
Los científicos esperan que futuras observaciones de estrellas con déficit en metales puedan restringir más los límites de la abundancia primordial del berilio, y ayudar a reforzar el berilio como una restricción de los modelos de la nueva física.
"Una clase de modelos que son objetivo de nuestro estudio son las extensiones supersimétricas del Modelo Estándar, en el cual cada partícula común tiene asignado un estado 'doppelgänger'", dice Pradler. "Estos estados normalmente son pesados y puede que uno de ellos tenga un tiempo de vida suficiente como para decaer durante, o brevemente después, de la BBN. Es más, incluso es concebible que la propia materia oscura se produjese en tales decaimientos. La BBN puede actuar como una poderosa sonda para poner a prueba la nueva física más allá del Modelo Estándar, y cada modelo tiene que pasar esta comprobación de consistencia cosmologica.
Hasta ahora, los investigadores habían pensado que el berilio no podría haberse generado durante las circunstancias genéricas de la BBN. Pero aquí, Pospelov y Pradler han demostrado que, cuando una partícula X desconocida decae bajo las condiciones del BBN, puede liberar una gran cantidad de energía que puede llevar a la producción de 9Be, que es el único isótopo estable del berilio. La formación de 9Be tiene lugar al final de la cadena de transformaciones, pasando a través de algunos isótopos de elementos ligeros, incluyendo el 6He, y llegando finalmente al isótopo de berilio. Cuando los físicos calcularon la eficiencia de esta cadena de transformaciones, encontraron que el proceso podría producir una proporción de abundancia berilio/hidrógeno de 10-14 (o 1 gramo de berilio por cada 10 millones de toneladas de hidrógeno).
"Observar el patrón de abundancia de elementos ligeros nos permite lograr una visión de la dinámica de los inicios del universo, cuando estaba miles de millones de veces más caliente que en la actualidad y sólo tenía unos cientos de segundos de antigüedad", dice Pradler a PhysOrg.com. "En nuestro trabajo demostramos que cualquier proceso, como el decaimiento o aniquilación de una especie de partículas X reliquias, que vuelca energía hadrónica en esta mezcla primordial, establece una cadena de reacciones nucleares no térmicas que culmina con la fusión del berilio - un elemento que de otro modo quedaría fuera de los estándares primordiales".
El berilio, junto con el litio, puede observarse en estrellas con déficit de metales, que se formaron a partir del casi prístino gas interestelar. Los científicos pueden identificar los elementos usando espectroscopia estelar para detectar la línea de resonancia atómica individual de cada elemento. Anteriores investigaciones han encontrado que, en contraste con el litio, el berilio de estas estrellas no es de origen primordial. Mientras que el valor del litio como función de la metalicidad estelar llega a una meseta a metalicidad baja, no hay meseta para el berilio. En lugar de esto, el berilio parece decrecer a valores cada vez más bajos conforme desciende la metalicidad estelar, y de este modo a mezclas más puras de gas interestelar a partir del cual se formó la estrella.
Como explican los científicos, lo que hace que el berilio sea tan potente en estas estrellas es que, al contrario que el litio, no se ve realmente afectado por la dinámica estelar. Mientras que el litio es frágil y puede ser destruido dentro de las estrellas, el berilio es mucho más fuerte. Por esta razón, el berilio podría ser más útil para restringir modelos BBN no estándar.
"Muchos nuevos modelos de la física de partículas, incluyendo aquellos que actualmente están en pruebas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, predicen estados X masivos de vida larga", dice Pradler. "Mientras el LHC empuja la frontera de energía terrestre en la búsqueda de una nueva física, estas partículas X podrían haberse producido copiosamente en el Big Bang. La conversión de la masa en reposo de X en energía hadrónica durante su decaimiento puede detectarse en una elevada abundancia de berilio. Cuanta más energía se vuelca, más abundancia de Be habrá. El isótopo actúa como calorímetro".
Los científicos esperan que futuras observaciones de estrellas con déficit en metales puedan restringir más los límites de la abundancia primordial del berilio, y ayudar a reforzar el berilio como una restricción de los modelos de la nueva física.
"Una clase de modelos que son objetivo de nuestro estudio son las extensiones supersimétricas del Modelo Estándar, en el cual cada partícula común tiene asignado un estado 'doppelgänger'", dice Pradler. "Estos estados normalmente son pesados y puede que uno de ellos tenga un tiempo de vida suficiente como para decaer durante, o brevemente después, de la BBN. Es más, incluso es concebible que la propia materia oscura se produjese en tales decaimientos. La BBN puede actuar como una poderosa sonda para poner a prueba la nueva física más allá del Modelo Estándar, y cada modelo tiene que pasar esta comprobación de consistencia cosmologica.
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